实验室在“深地、深空等取样极端困难条件下的岩体力学参数估计”方面取得研究进展

      岩石的基本力学性质，包括弹性模量和单轴抗压强度，在岩石工程设计和分析中具有重要意义。然而，在特定的工况下，如高应力岩体、节理岩体和外太空岩体等条件下，获得符合测试要求的标准圆柱形岩石试样是一项极具挑战性的任务。

       为了解决这一难题，岩土力学与工程安全重点实验室智能岩石力学团队博士研究生柳秀洋等人在徐鼎平研究员的指导下，提出了一种基于岩石矿物和矿物界面纳米压痕试验结果来估计岩石及岩体力学参数的简化技术路径。首先采用相位识别压痕技术或统计反卷积压痕技术确定岩石中组成矿物的微观力学特性。随后，利用多元线性回归技术和广义均值方法将这些微观矿物力学参数升尺度分析，以估算标准岩石样品的弹性模量和单轴抗压强度。接着，通过钻孔成像和高清拍照技术获取岩体的地质强度指数（GSI）。最后，将前述估算的岩石弹性模量、单轴抗压强度和GSI值结合起来，基于Hoek-Brown准则进一步升尺度分析，从而推算现场岩体的力学性质。这项研究突破了毫米-厘米级细小试样、厘米-分米级室内岩样和百米-千米级工程岩体力学参数之间难以有效关联的鸿沟。该研究为解决深地、深空等取样极端困难条件下的岩体力学参数估计提供了一种简易可行的思路。

      相关研究成果已在《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Computational Particle Mechanics》《中南大学学报（自然科学版）》等知名期刊上发表。研究获得国家自然科学基金项目51979268、52279117和52325905资助。

论文链接1：https://doi.org/10.1007/s00603-023-03221-6

论文链接2：https://doi.org/10.1007/s00603-024-03796-8

论文链接3：https://doi.org/10.1007/s40571-023-00664-0

论文链接4：https://doi.org/10.11817/j.issn.1672-7207.2021.08.022

图1  从矿物微观力学试验估算岩石和岩体力学性质的技术途径

图2  基于纳米压痕试验花岗岩组成矿物的杨氏模量与硬度值

图3  岩石单轴抗压强度的预测值与拟合值的关系

图4  基于广义均值、Mori-Tanaka法以及单轴压缩试验中获得的弹性模量的比较

图5 极端困难条件下的岩体力学参数估计的应用场景